User:Pablo Caligiore Gei/131469

¿Cómo obtenemos el oxígeno que respiramos?
Todos los animales aerobios requieren oxígeno como parte de un mecanismo básico para aceptar los electrones e iones hidrógeno que se producen durante el metabolismo. Aún cuando el oxígeno se encuentra a nuestro alrededor, en el aire o en el agua, necesita estar en íntimo contacto con las células donde será utilizado.

Es en este punto donde la sangre entra en acción. La sangre es un fluido corporal especializado, cuya función es llevar elementos esenciales hacia las células –como nutrientes y oxígeno– así como transportar sustancias de desecho producidas en esas mismas células. Como el oxígeno no es muy soluble en la sangre, los animales han desarrollado un eficiente mecanismo para capturarlo, transportarlo y liberarlo en cada una de las células: la hemoglobina.

Hb, la proteína poderosa
La Hemoglobina (Hb), (a la derecha, una representación tridimensional de la molécula) es la proteína que transporta el oxígeno desde los pulmones hasta los tejidos que lo requieren. The carbon dioxide produced by the consumption of oxygen. Para actuar con la máxima efectividad, la hemoglobina debe unirse íntimamente al oxígeno en el ambiente rico de los pulmones y luego ser capaz de liberarlo en el relativamente pobre ambiente oxigenado de los tejidos. Aunque intrincada, esta función la cumple de la manera más elegante y coordinada posible. La actividad de la hemoglobina es el ejemplo clásico de cómo se relaciona la estructura molecular de una proteína con su función biológica específica. 

Los colores verdaderos
Como podemos ver, hay cuatro grupos idénticos entre sí, formados por esferas de colores gris, rojo, azul y anaranjado. Ahora, prestemos atención a uno de ellos. Este es el grupo 'hemo', unidad funcional de la hemoglobina. UN MOMENTO: ¿son estos los verdaderos colores? En realidad, no. Sólo son una representación de la estructura real, coloreada según el esquema Corey-Pauling-Koltun (

). RECORDEMOS: todas estas son representaciones moleculares artificiales, en las cuales se usan colores, texturas, formas y estilos con el propósito de ayudarnos a entender mejor la compleja conformación espacial real de la molécula. Este modelo del grupo hemo está aquí esquematizado en el modo espacio lleno, pero también podemos verlo como esferas y varillas , manteniendo siempre la misma estructura espacial y la codificación de color nombrada.

Capturando oxígeno y otras moléculas...
El "corazón" de la hemoglobina es el grupo hemo, el cual consta de una molécula chata anillada y que contiene átomos de arbono, itrógeno e idrógeno, con un ión Fe2+ en el centro. Precisamente, el catión ferroso está sostenido mediante ligandos de los cuatro nitrógenos que se disponen en un anillo plano (puedes rotar la estructura usando el mouse para apreciar este plano). En las condiciones adecuadas, una molécula de oxígeno se adhiere al Fe en el grupo hemo. OBSERVA ¿Hay otras modificaciones mientras el oxígeno se une al hierro? Podemos observar esta captura de oxígeno desde el punto de vista de una proteína de cadena simple o, en un contexto más reducido, por el grupo hemo.

And now is when things get interesting. The hem group has the chemical and structural capabilities to capture an oxygen molecule, which happens to be too close to the general shape of a molecule of carbon monoxide, which binds hemoglobin about 240 times faster and better than oxygen, meaning that if both gases are available, hemoglobin will prefer CO over O2. THINK: Can you imagine what will happen if by accident we breathe in a carbon monoxide rich atmosphere?

The whole molecule
Let's go back and take a look to the whole picture. Do you remember the four heme groups in a ribbon-like structure we noticed at the beginning?. This is because the biological active molecule of hemoglobin is a tetramer, this is, a polymer comprising four monomer units: two alpha chains, each with 141 amino acids and two beta chains, each with 146 amino acids. The protein of each of these chains is called globin.

Sickle-cell disease
Sickle hemoglobin differs from normal hemoglobin by a single amino acid: valine (hydrophobic) replaces glutamate (hydrophilic) at position 6 on the surface of the beta chain. This creates an hydrophobic spot. THINK: Why a simple additional hydrophobic spot (actually two spots in the structure WHY?), generated by the change of a single amino acid on a protein with over 500 amino acids becomes so problematic?  On the right, we can see the structure of a deoxygenated hemoglobin, this is, an hemoglobin shortly after releasing the load of oxygen. We can distinguish it's four chains (by it's artificial colors) and the four heme groups with no oxygen attached. This time, the representation is of style spacefill, which is Ok because you know by now that representations are only a different way of drawing a real structure that we can't see.

Both normal and sickle hemoglobin, when in deoxygenated state, have an hydrophobic spot (colored white here) on the beta chains. Two beta chains = two hydrophobic spots on the dehydrogenated hemoglobin. WATCH: Can you find the spots on the two chains?.

The hydrophobic spot present on Sickle hemoglobin sticks to the hydrophobic spot present on dehydrogenized hemoglobin, causing hemoglobin molecules to  aggregate into chains forming long fibers. A <scene name='User:Jaime_Prilusky/How_do_we_get_the_oxygen_we_breathe/Sickle_hemoglobin_chain_close/1'>closer look shows us that Alanine and Leucine from one molecule attract the Valine from another, chaining the two hemoglobin molecules together.

Content advisors
This lesson plan was developed together with Dr. Dvora Cohen, Biology Teacher and Dr Mira Kipnis, Chemistry Teacher, both from the Davidson Institute of Science Education, Weizmann Institute of Science. This page include scenes, structures and ideas from Eric Martz, Frieda S. Reichsman  and Angel Herraez.